微波传输系统及方法与流程

1.本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种微波传输系统及方法。


背景技术：

2.微波以其“频带宽、信息容量大、穿透力强及似光性”等特点在在雷达、通信、遥感、导航、电子对抗等许多领域得到了广泛的应用。
3.微波在自由空间上的定向传输通常是通过微波天线的方向性指标设计来实现的，即尽可能地抑制旁瓣、提高主瓣幅度和压缩主瓣宽度。因此，在自由空间上约束微波电磁场传播的方法一般是采用如旋转抛物面天线、卡塞格伦天线等高增益的定向天线。
4.尽管采用了高增益的定向天线，微波电磁场的传播仍然存在着远场发射角。在远距离传输情况下，受远场发散角的影响和接收天线的口径限制，现有技术手段无法将微波电磁场在空间上约束在发射端和接收端之间，从而造成微波传输过程中的大量损耗。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的问题，本发明提供的一种微波传输系统及方法。
6.本发明提供一种微波传输系统，包括：定向反射器和至少一个发射器；其中：所述发射器包括微波激励源、两路微波混合器、行波放大单元、检测单元及微波发射接收天线；所述定向反射器至少包括定向回复反射天线；所述微波发射接收天线与所述定向回复反射天线相对设置构成开式谐振腔；所述两路微波混合器用于将所述微波激励源注入的激励微波和/或所述定向反射器的定向反射回波传输到所述行波放大单元，所述行波放大单元用于将所述微波激励源注入的激励微波和/或所述定向反射器的定向反射回波进行放大后，由所述微波发射接收天线进行发射；所述定向反射回波为所述定向回复反射天线部分反射所述微波发射接收天线发射的微波；所述微波发射接收天线、所述行波放大单元与所述定向回复反射天线构成行波振荡器；其中，所述行波放大单元为所述行波振荡器提供增益，所述定向回复反射天线为所述行波放大单元提供正反馈；所述检测单元检测到所述振荡器起振后，就控制所述微波激励源停止工作，完成微波电磁场的注入锁定；所述微波传输系统是一个注入锁定的行波振荡传输系统。
7.根据本发明提供的一种微波传输系统，所述行波放大单元至少包括天馈系统以及行波放大器；其中，所述天馈系统位于所述行波放大器和所述微波发射接收天线之间，一方面将所述行波放大器放大的微波馈给发射天线发射，另一方面将接收天线接收的微波馈给所述行波放大器进行放大。
8.根据本发明提供的一种微波传输系统，所述微波发射接收天线是高增益定向天线，所述微波发射接收天线包括一个共孔径的收、发共用天线，或包括一个微波发射天线和一个微波接收天线。
9.根据本发明提供的一种微波传输系统，所述定向回复反射天线具备定向反射特性，所述定向回复反射天线包括单个天线或由多个天线组成的天线阵列。
10.根据本发明提供的一种微波传输系统，所述定向反射器还包括馈源；其中，所述馈源的第一端与所述定向回复反射天线相连接，所述馈源的接收阻抗可调，用于调节所述定向回复反射天线的反射率。。
11.本发明还提供一种微波传输方法，包括：由微波激励源向行波放大单元中注入激励微波，辅助和加快行波振荡器的起振；检测单元检测到所述行波振荡器起振后，控制所述微波激励源停止工作，完成所述激励微波的注入锁定；注入锁定的振荡微波反复在微波发射接收天线和定向回复反射天线组成的孔阑传输线中传播；其中，所述孔阑传输线位于所述微波发射接收天线与所述定向回复反射天线相对设置构成的开式谐振腔内部；并且，由于微波天线口径的衍射作用影响，只有满足自再现条件的微波电磁场分布在所述开式谐振腔中存在，所述开式谐振腔之外不存在微波电磁场，微波在空间中的传播被局限在所述微波发射接收天线和所述定向回复反射天线之间。
12.本发明提供的一种微波传输系统及方法，所述的微波传输系统是一个注入锁定的行波振荡传输系统。通过微波激励源产生激励微波，定向回复反射天线为行波放大单元提供正反馈，行波放大单元为行波振荡器提供增益，从而实现行波振荡器的起振，一旦行波振荡器起振就完成了激励微波的注入锁定，检测单元控制微波激励源停止工作；振荡的行波反复在微波发射接收天线和定向回复反射天线形成的开式谐振腔中传播，实现了微波定向传输过程的空间约束，有效减少了微波传输过程中的损耗，实现了微波从发射端到接收端之间的高效传输，也有利于提高通信安全。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1是本发明提供的微波传输系统的结构示意图之一；
15.图2是本发明提供的微波传输系统的结构示意图之二；
16.图3是本发明提供的微波传输系统实现无线传能的实施例结构示意图；
17.图4是本发明提供的微波传输方法的流程示意图；
18.附图标记：
19.1：微波发射接收天线； 2：第一馈源；
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3：馈线；
20.4：环形器；
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5：第二隔离器；
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6：行波放大器；
21.7：微波传输线；
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8：定向耦合器；
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9：微波信号发生器；
22.10：开关；
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11：第一隔离器；
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12：两路微波混合器；
23.13：检测电路；
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14：定向回复反射天线； 15：第二馈源；
24.16：微波整流器；
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17：蓄能器；
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18：微波激励源；
25.19：行波放大单元；
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20：检测单元
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r：定向反射器；
26.s：发射器。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。“当前”在执行某动作之时的时刻，文中出现多个当前，均为随时间流逝中实时记录。
29.微波传输系统：应用于微波波段的传输系统统称为微波传输系统，而用来传输电磁能量和信息的系统被称为传输系统。
30.图1是本发明提供的微波传输系统的结构示意图之一，如图1所示，所述微波传输系统包括：定向反射器r和至少一个发射器s；其中：
31.所述发射器s包括微波激励源18、两路微波混合器12、行波放大单元19、检测单元20及微波发射接收天线1；所述定向反射器r至少包括定向回复反射天线14；所述微波发射接收天线1与所述定向回复反射天线14相对设置构成开式谐振腔；
32.所述两路微波混合器12用于将所述微波激励源18注入的激励微波和/或所述定向反射器r的定向反射回波传输到所述行波放大单元19，所述行波放大单元19用于将所述微波激励源18注入的激励微波和/或所述定向反射器19的定向反射回波进行放大后，由所述微波发射接收天线1进行发射；所述定向反射回波为所述定向回复反射天线部分反射所述微波发射接收天线发射的微波；所述微波发射接收天线1、所述行波放大单元19与所述定向回复反射天线14构成行波振荡器；其中，所述行波放大单元19为所述行波振荡器提供增益，所述定向回复反射天线14为所述行波放大单元19提供正反馈；所述检测单元20检测到所述行波振荡器起振后，就控制所述微波激励源18停止工作，完成微波电磁场的注入锁定；所述微波传输系统是一个注入锁定的行波振荡传输系统。
33.需要说明的是，所述微波传输系统包括：发射器s和定向反射器r，反射器的数量可以为一个或多个，具体数量可按需设置；在该系统中，发射器s用于发射微波，定向反射器r用于接收微波以及部分反射微波。所述发射器s包括微波激励源18、两路微波混合器12、行波放大单元19、检测单元20及微波发射接收天线1；需要说明的是，微波激励源18用于产生激励微波，两路微波混合器12用于实现对来自不同输入端的微波的混合过程，行波放大单元19用于实现对行波的放大过程，微波发射接收天线1同时具有发射微波和接收微波的作用，主要用于发射来自行波放大单元19的微波和接收从定向回复反射天线14反射回的定向反射回波，具体可以采用的天线种类有卡塞格伦天线、旋转抛物面天线或偏馈抛物面天线等高增益的定向天线。所述定向反射器r包括定向回复反射天线14，而定向回复反射天线14具有定向反射特性，部分反射来自微波发射接收天线1的电磁波，定向回复反射天线14具体可以选用棱锥角反射器、龙伯透镜反射器或利用猫眼效应的抛物面反射天线。
34.需要说明的是，所述两路微波混合器12将所述微波激励源18注入的激励微波和所述定向反射器r的定向反射回波进行混合，此处两路微波混合器12发挥的作用是进行微波混合，然后将混合后的微波传输到所述行波放大单元19，对混合后的微波进行放大，将混合后的微波进行放大后经由微波发射接收天线1进行定向发射。
35.微波发射接收天线1、行波放大单元19与定向回复反射天线14构成行波振荡器；所述的微波传输系统是一个注入锁定的行波振荡传输系统。当增益大于损耗时，行波振荡器起振，所述检测单元20检测到行波振荡器起振后，就控制微波激励源停止工作，完成微波电磁场的注入锁定。注入锁定的振荡微波反复在微波发射接收天线1和定向回复反射天线14组成的孔阑传输线中传播；其中，所述孔阑传输线位于所述微波发射接收天线1与所述定向回复反射天线14相对设置构成的开式谐振腔内部；并且，只有满足自再现条件的微波电磁场分布在所述开式谐振腔中存在，所述开式谐振腔之外不存在微波电磁场，微波在空间中的传播被局限在所述微波发射接收天线1和所述定向回复反射天线14之间。所述微波发射接收天线1和所述定向回复反射天线14相对设置，二者构成开式谐振腔，形成该谐振腔的好处在于可以有效限定微波传输过程中的传输路径，避免微波传输过程中产生辐射损耗。
36.本发明提供的微波传输系统，通过微波激励源产生宽频激励微波，定向回复反射天线为行波放大单元提供正反馈，行波放大单元为行波振荡器提供增益，从而实现行波振荡器的起振，一旦行波振荡器起振微波激励源就在检测电路控制下停止工作。振荡微波反复在微波发射接收天线和定向回复反射天线形成的开式谐振腔中传播，实现了微波定向传输过程的空间约束，有效减少了微波传输过程中的损耗，实现了微波从发射端到接收端之间的高效传输，也有利于提高通信安全。
37.图2是本发明提供的微波传输系统的结构示意图之二。进一步地，在本发明中，所述行波放大单元19包括天馈系统、收发共用器、第二隔离器以及行波放大器；其中：所述天馈系统的第一端与所述微波发射接收天线双向连接，所述收发共用器的第一端与所述天馈系统的第二端双向连接，所述收发共用器的第二输出端与所述第二隔离器的输入端相连接，所述收发共用器的第二输入端与所述行波放大器的输出端相连接；
38.所述第二隔离器的输出端与所述两路微波混合器的第二输入端连接；所述两路微波混合器12的输出端与所述行波放大器的输入端连接。
39.天馈系统是将微波传输给天线发射以及从天线接收微波的馈源系统。本实施例中采用收发共用的微波发射接收天线，所述收发共用器可以采用环行器或极化分离器。隔离器为反向截止的单向传输微波器件，在本发明中的作用在于隔离激励回路与行波回路，防止产生串扰。行波放大器可以采用行波管或微波固体放大器。
40.需要说明的是，天馈系统与微波发射接收天线1双向连接，收发共用器与天馈系统双向连接，收发共用器的第二输出端与第二隔离器的输入端相连接，收发接收器的第二输入端与行波放大器的输出端相连接，第二隔离器的输出端与两路微波混合器12的第二输入端相连接，两路微波混合器12的输出端与行波放大器的输入端相连接。基于上述连接方式可以实现激励微波经由两路微波混合器12先后进入行波放大器、收发共用器以及天馈系统，最后通过微波发射接收天线1将微波发射出去。同时，经由定向回复反射天线14反射回来的定向反射回波通过微波发射接收天线1进入发射器s，然后在发射器s内部先后经过天馈系统、收发共用器、第二隔离器，进入两路微波混合器12后再进入行波放大器放大，放大
后的定向反射回波再经收发共用器和天馈系统馈入微波发射接收天线1发射出去。微波发射接收天线1发射出去的微波再经定向回复反射天线14部分反射回来，如此循环往复形成行波振荡。
41.本发明提供的微波传输系统，通过使天馈系统和微波发射接收天线之间的双向连接以及天馈系统和收发共用器之间的双向连接为行波放大单元借助于微波发射接收天线向外发射微波和接收定向反射回波提供了结构基础。
42.进一步地，在本发明中，所述检测单元用于在检测到所述行波振荡器起振后，控制所述微波激励源18停止工作。
43.需要说明的是，检测单元的输入端与收发共用器的第二输出端连接，检测单元的输出端与微波激励源18连接，用于检测行波振荡器的起振，行波振荡器起振后，关闭微波激励源18。
44.本发明提供的微波传输系统，通过设置检测单元连接微波激励源和收发共用器，可以基于对行波振荡器的检测作出是否关闭微波激励源的命令，实现对于微波激励源工作过程的控制，进一步实现在微波激励源的激励下产生行波振荡。
45.进一步地，在本发明中，所述微波激励源18包括微波信号发生器、开关及第一隔离器；其中，所述检测单元20的控制输出端与所述开关连接，所述检测单元20的信号检测端与所述收发共用器的所述第二输出端连接；所述微波信号发生器的输出端与所述开关的输入端连接，所述开关的输出端与所述第一隔离器的输入端连接，所述第一隔离器的输出端与所述两路微波混合器12的第一输入端连接。
46.需要说明的是，检测单元20通过控制微波激励源18中的开关实现对于激励微波产生过程的控制，同时微波信号发生器用于产生激励微波，开关用于启停激励微波的产生过程，第一隔离器是单向器，用于隔离激励源回路，防止与行波回路产生串扰。其中，开关的常态为闭合状态。
47.进一步地，所述检测单元包括检测电路和定向耦合器。
48.定向耦合器可以是一个测试微波电流的四端口元件，与检测电路共同组成检测单元20监测行波振荡器工作，一旦行波振荡器起振，则控制开关切断微波激励源18。
49.本发明提供的微波传输系统，通过设置包括检测电路和定向耦合器的检测单元，保证了微波激励源的有效控制，进一步确保了行波振荡器的起振控制。
50.进一步地，在本发明中，所述定向回复反射天线14包括单个天线或由多个天线组成的天线阵列，所述天线阵列的形状包括平面或球面。
51.需要说明的是，根据实际需求，定向回复反射天线14可以采用单个天线或者采用天线阵列。可采用天线阵列与多个微波发射接收天线构成开式谐振腔进行微波的空间约束传输。所述天线阵列的排列方式可以选为平面或者球面。
52.本发明提供的微波传输系统，通过将定向回复天线设置为单个天线或者天线阵列，以及将天线阵列的排列方式选择为平面或者球面，充分考虑到实际应用的不同场景，实现了对于定向回复天线的按需设置过程。
53.进一步地，在本发明中，所述定向反射器r还包括馈源；其中，所述馈源的第一端与所述定向回复反射天线14连接，所述馈源的接收阻抗可调。
54.需要说明的是，馈源用作高增益聚集天线的初级辐射器，为抛物面天线提供有效
的照射。而阻抗可调的作用在于可以调节定向回复反射天线的反射率。
55.本发明提供的微波传输系统，通过将馈源的接收阻抗设置为可调阻抗，实现了定向回复反射天线的反射率的可控调节。
56.进一步地，当本发明应用于无线传能时，所述系统还包括能量转化装置；其中，所述能量转化装置与所述馈源的第二端连接，所述能量转化装置用于将所述定向回复反射天线14接收的微波进行能量转化。
57.能量转化装置可以包括微波整流器和蓄能器。需要说明的是，来自于微波发射接收天线发射出的微波被定向回复天线接收并将其送往微波整流器，借助于微波整流器将微波转化为电能储存在蓄能器中。
58.本发明提供的微波传输系统，通过能量转化装置将定向回复反射天线接收的微波进行能量转化，实现了微波定向传能的空间约束，从而提高微波无线传能的效率。
59.图3是本发明提供的微波传输系统实现无线传能的实施例结构示意图，如图3所示，激励微波发射过程，微波信号发生器9产生激励微波，然后产生的激励微波先后进入开关10、第一隔离器11，然后经由两路微波混合器12的第一输入端进入两路微波混合器12，先后经过两路微波混合器12的输出端和行波放大器6的输入端进入行波放大器6，激励微波在行波放大器6中进行放大后先后经过行波放大器6的输出端和微波传输线7进入环形器4，然后依次经过馈线3、第一馈源2进入微波发射接收天线1，通过微波发射接收天线1将微波进行发射；需要说明的是，第一馈源2与馈线3构成天馈系统，如图3所示，所述天馈系统放置在微波发射接收天线1的后面，第一馈源2的端口位于微波发射接收天线1的焦平面上；放置在所述天馈系统后面的环形器，起分路功能，将发射的行波和接收的微波分开。
60.混合微波发射过程，定向回复反射天线具有定向反射特性，部分反射来自微波发射接收天线的电磁波，定向回复反射天线14接收来自微波发射接收天线1发射的微波，将部分微波原路反射到微波发射接收天线1上，该反射到微波发射接收天线1上的微波称之为定向反射回波，微波发射接收天线1接收定向发射回波后，先后通过第一馈源2、馈线3进入环形器4，进入环形器4中的定向反射回波经过第二隔离器5进入两路微波混合器12，在两路微波混合器12中将来自于第一隔离器11的激励微波与来自于第二隔离器5的定向反射回波进行混合，然后将该混合微波传输到行波放大器6中，然后依次经过微波传输线7、环形器4、馈线3以及第一馈源2进入微波发射接收天线1，然后通过微波发射接收天线1将混合微波进行发射。
61.需要说明的是，定向耦合器8是一个测试微波电流的四端口元件，与检测电路13共同组成检测单元20，从而实现对行波振荡器工作过程的检测。因此，行波振荡器、微波激励源以及检测单元20共同构成了一个注入锁定的行波振荡系统。
62.当行波振荡系统的增益小于损耗时，重复混合微波发射过程，当行波振荡系统的增益大于或等于损耗时，满足起振条件af≥1，行波振荡器起振，检测单元20检测到行波振荡器起振后，控制微波信号发生器9停止工作；所述行波振荡器，包括：微波发射接收天线1、行波放大单元6以及定向回复反射天线14；所述微波激励源包括：微波信号发生器9、开关10以及第一隔离器11。
63.需要说明的是，来自发射接收天线1的微波部分被定向回复反射天线14接收并送往微波整流器16进行能量转化，将微波转化为电能储存在蓄能器17中。
64.本发明提供的微波传输系统，通过首先利用微波激励源向行波放大单元注入激励微波，以此来辅助和加快行波振荡器的起振，同时检测单元通过控制微波激励源实现对激励微波在行波振荡器中的注入锁定控制，而注入锁定的振荡微波反复在微波发射接收天线和定向回复反射天线形成的开式谐振腔中传播，受微波发射接收天线和定向回复反射天线的天线口径的衍射作用影响，只有满足自再现条件的高斯电磁场分布才能获得增益在开腔中存在，开腔之外不存在微波电磁场。基于以上过程实现了微波定向传输过程的空间约束，有效减少了微波传输过程中的损耗，实现了微波从发射端到接收端之间的高效传输，也有利于提高通信安全。
65.图4是本发明提供的微波传输方法的流程示意图。如图4所示，该方法包括：
66.步骤101、由微波激励源向行波放大单元中注入激励微波，辅助和加快行波振荡器的起振；
67.步骤102、检测单元检测到所述行波振荡器起振后，控制所述微波激励源停止工作，完成所述激励微波的注入锁定；注入锁定的振荡微波反复在微波发射接收天线和定向回复反射天线组成的孔阑传输线中传播；
68.其中，所述孔阑传输线位于所述微波发射接收天线与所述定向回复反射天线相对设置构成的开式谐振腔内部；并且，由于微波天线口径的衍射作用影响，行波振荡器中的电磁场既受微波元器件以及微波传输线中场的传播规律的制约，也受自由空间中波的传播规律的制约。只有满足自再现条件的微波电磁场分布在所述开式谐振腔中存在，所述开式谐振腔之外不存在微波电磁场，微波在空间中的传播被局限在所述微波发射接收天线和所述定向回复反射天线之间。
69.本发明提供的微波传输方法，通过首先利用微波激励源向行波放大单元注入激励微波，以此来辅助和加快行波振荡器的起振，同时检测单元通过控制微波激励源实现对激励微波在行波振荡器中的注入锁定控制，而注入锁定的振荡微波反复在微波发射接收天线和定向回复反射天线形成的开式谐振腔中传播，基于以上过程实现了微波定向传输过程的空间约束，有效减少了微波传输过程中的损耗，实现了微波从发射端到接收端之间的高效传输，也有利于提高通信安全。
70.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。